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Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione allAquila CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE.

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Presentazione sul tema: "Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione allAquila CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE."— Transcript della presentazione:

1 Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione allAquila CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE POST-TERREMOTO Rel. Dr. Vincenzo Di Fiore (IAMC-CNR, Napoli)

2 2 In un mezzo elastico, omogeneo, isotropo, vengono generate: Onde di volume Onde P (Primarie, Longitudinali) Onde S: (Secondarie,Trasversali) Onde superficiali Onde di Rayleigh Onde di Love Nella sismica a Riflessione e Rifrazione vengono considerate le onde P. Onde superficiali sono rumore per la Sismica a Riflessione e Rifrazione. Le onde S sono utilizzate in altre Applicazioni: es. Normativa Sismica.

3 La prospezione sismica consiste nel generare impulsi di breve durata ed ampiezza limitata utilizzando apposite sorgenti; i segnali riflessi sono successivamente raccolti e registrati da opportuni sensori organizzati secondo determinate configurazioni spaziali. Linsieme di tutti i segnali e del rumore (sia quello dellesperimento che quello ambientale), registrati dal sensore nel tempo, formano una traccia sismica. Le tracce sismiche registrate simultaneamente in risposta ad una singola energizzazione (shot) formano un record sismico (shot gather).

4 Record sismico In un record sismico si possono individuare: - Onde riflesse; - Onde dirette; - Onde rifratte; - Onda daria; - Multiple e riverberazioni; - Rumore ambientale

5 Impedenza Acustica (AI): AI = Z = Vp * dove Vp = velocità onde compressive = densità Strettamente connessa alla velocità di propagazione delle onde sismiche nei diversi mezzi, è limpedenza acustica (AI), Tale grandezza è un importante parametro che quantifica la diversità tra i due mezzi a contatto: quanto maggiore sarà la differenza tra le caratteristiche fisiche dei due mezzi (in particolare velocità e densità), tanto maggiore sarà la differenza tra le relative impedenze acustiche. Densità e Velocità sono funzione: Litologia Porosità Compattazione Contenuto di fluidi

6 In una sezione sismica compaiono molti riflettori. I maggiori cambiamenti nelle propietà chimico/fisiche delle rocce producono delle riflessioni forti e continue. Un riflettore sismico è il limite tra corpi con diverse propietà (cambiamento litologico, contenuto di fluidi). Le diverse propietà causano la riflessione/rifrazione delle onde sismiche. Bed 1 Bed 2 Incoming ray Reflected ray Refracted ray lower velocity higher velocity energy source signal receiver

7 Onde sismiche e interfacce Quando unonda incontra una repentina variazione nelle caratteristiche elastiche di un mezzo, come una superficie di separazione tra due strati, parte dellenergia è riflessa e continua a viaggiare nello stesso mezzo dellenergia incidente, mentre la restante parte è rifratta nel mezzo inferiore con un netto cambio della direzione di propagazione del raggio allinterfaccia. La riflessione e la rifrazione sono alla base della sismica. Legge di Snell (legge della rifrazione) con V 2 >V 1

8 Modello Convoluzionale E di grande importanza in sismologia poiché la Terra ha un comportamento convoluzionale se sollecitata da sorgenti di energia elastica. Il modello convoluzionale ci spiega come londa acustica interagisce con la Terra per costruire la traccia sismica. x(t)= s(t)*e(t) + n(t) Il modello convoluzionale ci spiega come londa acustica interagisce con la Terra per costruire la traccia sismica. x(t)= s(t)*e(t) + n(t) La validità di questo modello si fonda su diverse assunzioni che ne rendono più semplice la trattazione matematica: 1. Nel sottosuolo sono ipotizzate discontinuità orizzontali. 2. La sorgente utilizzata genera solo onde piane longitudinali che incidono verticalmente su ciascuna discontinuità in modo tale da non generare onde di taglio (Zero-offset: sorgente e ricevitori coincidenti).. 3. La forma dellondina sorgente e stazionaria, cioè non varia durante la propagazione nel sottosuolo. 4. Il rumore casuale presente nelle registrazioni è noto e trascurabile. 5. La forma donda della sorgente è conosciuta. 6. La riflettività terrestre è una sequenza casuale. x(t)=sismogramma s(t)=sorgente sismica e(t)=mezzo attraversato n(t)=rumore random

9 Sismogramma x(t)=s(t)*e(t)+n(t) dove: s(t)=sorgente sismica e(t)=mezzo attraversato n(t)=rumore random Lobiettivo dellacquisizione/elaborazione è: ridurre n(t) ricostruire e(t) La traccia sismica è una serie temporale che rappresenta la registrazione della risposta del sottosuolo (riflettività terrestre) alla perturbazione indotta dalla sorgente sismica.

10 Esempio di shot gather

11 Sismica a Riflessione e a Rifrazione Una delle metodologie che meglio consente la ricostruzione del sottosuolo con un elevata accuratezza e risoluzione La tomografia è un metodo che permette di individuare anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche. Lelevato potere risolutivo offre la possibilità di ricostruire stratigraficamente situazioni complesse. La sismica a riflessione multicanale risulta molto efficace nelle applicazioni geologico-strutturali in quanto fornisce una sezione del sottosuolo molto simile a una sezione geologica e consente, quindi, di eseguire analisi strutturali e di stratigrafia sismica sui riflettori.

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13 La registrazione sismica è più complessa di una semplice forma donda sinusoidale. Vengono generate una complessa varietà di forme donda; Vengono generate un mix di frequenze ognuna delle quali ha una fase differente; La Terra è un sistema fisico complesso. - Le tecniche di riflessione non sono soggette allassunzione di velocità crescente con la profondità. - Le tecniche di riflessione richiedono, per evidenziare una data interfaccia, sorgenti più piccole e stendimenti più corti poiché il percorso dei raggi riflessi è prevalentemente verticale. - Le tecniche di riflessione possono potenzialmente risolvere caratteristiche deposizionali superficiali e ricostruire strutture di difficile definizione con luso di tecniche di rifrazione.

14 Ampiezza Periodo (secondi) / Lunghezza donda (metri) Frequenza: N° di onde in 1 secondo (Hertz) Velocità = Frequenza * Lunghezza donda Fase: ritardo del fronte donda Londa acustica può essere descritta in termini di: Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio. Lunghezza donda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda. Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa. Periodo: Tempo impiegato per compiere un ciclo completo. Fase: è la relazione tra due forme donda Velocità Londa acustica può essere descritta in termini di: Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio. Lunghezza donda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda. Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa. Periodo: Tempo impiegato per compiere un ciclo completo. Fase: è la relazione tra due forme donda Velocità Risoluzione Sismica Con questo termine si intende quanto due punti, possono essere vicini e rimanere tuttavia distinti nellimmagine sismica.

15 Risoluzione Verticale La soglia considerata limite per una buona risoluzione verticale è λ/4. Per valori minori di λ/4, i riflettori non sono più risolvibili, in quanto, i segnali riflessi al tetto ed al letto dello strato entreranno in interferenza costruttiva simulando un unico riflettore dalla forte ampiezza. La risoluzione verticale può essere migliorata in fase di elaborazione mediante delle tecniche di deconvoluzione che, comprimendo londina di base, ampliano lo spettro in frequenza del segnale

16 Risoluzione Orizzontale La Prima Zona di Fresnel è larea dove le onde, che differiscono tra loro meno di una lunghezza donda, interferiscono costruttivamente. Riflettori più piccoli della prima zona di Fresnel, generano la stessa risposta.

17 La Risoluzione è una funzione della lunghezza donda Sia la risoluzione verticale che quella orizzontale diminuiscono con la profondità: –La Frequenza diminuisce –La Velocità aumenta e quindi aumenta la lunghezza donda Noi controlliamo il rapporto frequenza/ampiezza –Acquisizione Parametri dacquisizione appropriati –Geometria dacquisizione (posizione scoppio-ricevitore). –Stendimento grande per sopprimere noise ma piccolo per preservare le alte frequenze Caratteristiche sorgente –Processing La Deconvoluzione aumenta la risoluzione verticale La Migrazione aumenta la risoluzione orizzontale R v =λ/4

18 Sistema dacquisizione

19 Sorgente sismica Ripetibile Elevata Risoluzione Tempo di energizzazione conosciuto Economica e Sicura Sistema di energizzazioneSistema di acquisizioneSistema di registrazione Geofoni Sismografi

20 Sorgenti da impatto Vantaggi Basso costo Semplici da maneggiare e manutenere Svantaggi Non ripetibile Faticosa Poco energetica Genera energia a bassa frequenza Martello

21 Fucile sismico Vantaggi Ripetibile Energia immessa superiore al martello Genera energia a più alta frequenza Svantaggi Onde superficiali (ground roll) Sicurezza Equipaggiamento

22 Massa battente Impatto al suolo di un grave in caduta libera o accelerata, laccelelazione può avvenire tramite spinta idraulica (hydra_pulse) o elastico Vantaggi Ripetibile; Ampio spettro di frequenze; Impatto ambientale nullo. Svantaggi Penetrazione non elevata

23 Esplosivo Vantaggi Molto energetiche Alta frequenza Ripetibile Svantaggi Sicurezza Acquisizione più lenta Forte impatto ambientale (permessi) Costi dacquisizione e manutenzione

24 Sorgenti vibratorie

25 Vantaggi Alta Ripetibilità Alta frequenza Molto energetiche Basso impatto ambientale Svantaggi Elevati costi dacquisizione e manutenzione

26 I rilevatori utilizzati di norma in prospezione sismica terrestre sono velocimetri e sono chiamati geofoni. Un geofono misura il moto del suolo traducendolo in un segnale elettrico e trasmettendolo al sismografo. SENSORI SISMICI

27 Il magnete interno al geofono si muove con il terreno in quanto solidale ad esso mentre la bobina, essendo sospesa alla molla, agisce come elemento inerte rispetto al suolo, questo moto relativo genera una tensione. La risposta dei geofoni ad un segnale di ingresso è espressa in termini di ampiezza. La curva ampiezza-frequenza definisce la relazione tra il fattore di trasduzione (rapporto tra la tensione misurata e la velocità di vibrazione per ogni frequenza) e la frequenza. Si osserva un picco in corrispondenza della frequenza naturale del sistema oscillante, per la quale si verificherebbe risonanza se non si ricoresse allo smorzamento (resistenze di shunt)

28 I dati sono archiviati in un Laptop connesso via Ethernet ai Geodi. Sismografi Il segnale tradotto dal geofono viene registrato da una stazione sismica (sismografo). I segnali analogici provenienti dai geofoni (24) giungono al geode (sismografo) e qui vengono digitalizzati mediante convertitori analogico/digitali.

29 Acquisizione digitale Acquisire un dato fisicamente continuo, in forma digitale o numerica, significa campionarlo ad intervalli di tempo regolari e renderlo in forma discreta rappresentandolo mediante una serie temporale. Vantaggio: possibilità di elaborare il segnale e riduzione della quantità di spazio necessaria per storarlo. Passo di campionamento (Δt): lintervallo di campionamento deve essere tale da poter ricostruire la massima frequenza a cui si è interessati. Tale frequenza, è quella massima estraibile dai dati ed è campionata due volte per ciclo. La massima frequenza utilizzabile è la metà di quella di Nyquist, corrispondente a quattro campioni per ciclo. Occorre quindi, prima di scegliere lintervallo di campionamento, avere le idee abbastanza chiare sulla massima frequenza del segnale e quindi sulla risoluzione che si vuole ottenere dal sondaggio. Fn = 1/2Δt Es: Δt = 1ms, Fn = 500hz

30 Variazione della Frequenza al variare del t

31 Lacquisizione dei dati necessari per la costruzione di un profilo sismico a riflessione, avviene con la disposizione dei geofoni lungo una linea il più retta possibile, questi registreranno la risposta del sottosuolo alle sollecitazioni causate dallonda generata dalla sorgente artificiale, trasformandola in segnale digitale. Leseguire più energizzazioni successive e lutilizzare un alto numero di ricevitori, ci permette davere una copertura multipla di uno stesso riflettore profondo, ovvero di avere più riflessioni dallo stesso punto Tale schema dacquisizione consente di registrare sia eventi riflessi con alta copertura in un ampio intervallo di offset (riflessioni quasi verticali a piccoli offset e ad offset maggiori le riflessioni post-critiche), sia eventi rifratti in profondità, adatti per la tomografia dei primi arrivi. Spaziatura ricevitori: 5m; Spaziatura sorgenti: 10 m

32 La copertura (Fold) è definita come il numero di volte che uno stesso punto in profondità viene campionato, ciò può essere formalmente espresso come: copertura = N/2n, dove N è il numero di geofoni ed n è lintervallo tra due posizioni della sorgente. CRG – Common Receiver gather: raccoglie le tracce registrate dallo stesso ricevitore (d). COG – Common Offset Gather: raggruppa le tracce aventi lo stesso offset (distanza sorgente-geofono) (c). CMP – Common Midpoint Gather: riunisce tutte le tracce aventi lo stesso punto medio (b). Da notare che nel caso di riflettori piani il CMP coincide con il CDP (Common Depth Point). CSG – Common Shot Gather: raccoglie tutte le tracce che sono caratterizzate dalla stessa posizione della sorgente, in altre parole è linsieme delle registrazioni di tutti i geofoni effettuate per uno scoppio (a). In fase delaborazione, conoscendo la geometria dacquisizione, sarà possibile combinare le tracce sismiche provenienti da ciascun ricevitore in maniera tale da ottenere varie configurazioni, ciascuna delle quali enfatizza aspetti diversi del database acquisito

33 Seismic Processing Dato di campagna Sezione sismica

34 Lo scopo dellelaborazione di dati di sismica a riflessione è il tentativo di ricostruire dalle tracce registrate la riflettività terrestre estrapolandola sulla base del modello convoluzionale. Il prodotto finale della sequenza di elaborazione convenzionale è una sezione sismica stack che contiene informazioni su struttura e stratigrafia della zona esplorata. A a partire dallanalisi di un profilo sismico, la successiva operazione di interpretazione è mirata a risalire alla presenza e posizione delle discontinuità nel terreno e possibilmente anche a delle informazioni sulle proprietà fisiche dei mezzi che compongono il terreno (ossia, in senso lato, litologia, porosità, eventuale presenza di fluidi).

35 Gli obiettivi generali dellelaborazione sismica sono lincremento del rapporto segnale- rumore ed il miglioramento della risoluzione sia verticale che orizzontale. Le operazioni fondamentali dellelaborazione convenzionale dei dati sismici sono, nellordine usuale di applicazione: 1) Deconvoluzione; 2) Stacking; 3) Migrazione. Il volume dei dati sismici è rappresentato nelle coordinate dellelaborazione: CMP- offset-tempo. La deconvoluzione agisce lungo lasse del tempo e incrementa la risoluzione verticale. Lo stacking comprime il volume dei dati nella direzione delloffset e produce il piano della sezione stack (la faccia frontale del prisma). La migrazione muove gli eventi inclinati nella loro posizione reale e collassa le diffrazioni, aumentando così la risoluzione orizzontale. (Yilmaz,1987).

36 Esempio flusso elaborazione

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39 Parametri e geometria di acquisizione Distanza intergeofonica: 5 m Distanza tra shot: 10 m Intervallo di campionamento: 1 ms Finestra temporale: 2 s Strumentazione utilizzata N. 6 Sismografi modulari Geode a 24 bit a 144 canali Geofoni verticali a stringa doppia da 14 Hz Sorgente: Sistema idraulico a mazza battente auto movente (trattore agricolo) Minipulse 2800 Joule

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45 SEQUENZA PROCESSING

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52 Progetto CNR – CERFIS - CARISPAQ

53 CORSO Lunghezza linea: 955 metri N° canali: 192 N° shot: 91 Profilo Corso NE SW

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55 Tomografia Corso RMS: 5.65 NESW

56 Sezione Stack NE SW Profilo Corso

57 Sezione Migrata in profondità NE SW Profilo Corso

58 SALLUSTIO Lunghezza linea 295 metri N° canali: 60 N° shot: 27 NW SE Profilo Sallustio

59 Sezione Stack SE NW Profilo Sallustio

60 RMS: 2.1 Tomografia Sallustio

61 PETTINO Lunghezza linea 340 metri N° canali: 69 N° shot: 39 Profilo Pettino

62 Sezione Stack NW SE Profilo Pettino

63 GRAZIE PER LATTENZIONE


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